[实用新型]一种能够表示再现像遮挡关系的计算全息三维显示装置

说明书

本新型公开了一种能够表示再现像遮挡关系的计算全息三维显示装置，属于计算全息与三维显示领域，具体涉及一种计算全息三维显示装置，利用空间光调制器加载计算全息图再现体素点的方式来精确调控体素点的强度、位置坐标和传播方向，将基元全息图上每个体素点被遮挡信息对应的全息图灰度设置为一固定值，从而正确表示体素点的遮挡关系，结合空间光调制器阵列刷新加载计算全息图可以实现动态三维显示，为全息三维显示技术的应用提供切实可行的方案，具有刷新速度快、能够正确表示三维物体再现像遮挡关系、可以表示全视差、无视觉疲劳等特点。

技术领域

本实用新型属于计算全息与三维显示领域，具体涉及一种计算全息三维显示装置。

背景技术

计算全息三维显示作为最具有前景的真三维显示方式，是全息术与计算机显示技术的有机结合，它利用空间光调制器承载计算全息图，对入射光的波阵面进行调制，进而光电重构显示三维图像。利用空间光调制器不断地刷新加载计算全息图，实现全息三维视频显示，这是现代显示技术发展的重要目标。但是受困于空间光调制器的时空带宽积不足等因素，全息三维视频显示目前仍然无法进入应用阶段。现阶段较为有效的解决方法是使用高帧频的空间光调制器阵列进行时空复用的拼接方案。1995年N.Fukaya等人利用半透半反镜实现了3片振幅型LCD无缝拼接，从而获得较大的视场角。1996年该小组K.Maeno等人又将拼接的LCD数量从3个增加到5个。2008年J.Hahn等人通过将12个空间光调制器倾斜排列成一个圆弧，实现了空间光调制器的无缝拼接，获得了22.8°的视场角。2011年F.Yaras等人使用9个空间光调制器倾斜拼接的方法，并且利用半透半反镜消除了空间光调制器间的缝隙，扩大了再现像的视场角，获得了尺寸为10mm，视场角为24°的全息再现像。2014年H.Sasaki等人利用16个空间光调制器拼接实现了对角尺寸为85mm、水平视角为5.6°、刷新频率为20Hz的动态全息三维显示。2009年英国剑桥大学Rick H-Y Chen基于单空间光调制器时分复用的方法，将多个全息图时序加载到单片振幅型空间光调制器上，用多角度照明光按照相应的时序照明空间光调制器，通过后续光路将投射出的各个视角图像拟合到一起，利用人眼的视觉暂留就能在一定的视角范围内观察到三维图像。在此类方案中，无论是时间拼接还是空间拼接，都能在一定程度上拓宽视角，增加时空带宽积。但是，计算全息三维显示中由遮挡效果提供的移动视差往往容易被忽略。尽管基于全息单元(Hogel)原理的全息立体图可以很容易地实现遮挡效果，从而提供移动视差，但是此类方案记录和再现的均是由多视角的二维图像信息，所以全息立体图很难提供人眼所需的全部立体感知，尤其是深度调节。因此，探求能够正确表示再现像遮挡关系的计算全息三维显示方法变得尤为重要。2009年K.Matsushima等人提出利用轮廓法来表示遮挡关系，将三维场景的遮挡关系简化为若干个二维平面的遮挡关系，从而计算出可以表示遮挡效果的全视差计算全息图。但是此类方法只适用于简单三维场景的遮挡效果表示，例如一个三维物体和和一个二维背景平面。对于任意的三维场景，该方法难以表达其遮挡关系。2009年英国剑桥大学Rick H-YChen等人提出通过创建遮挡列表的方式来计算可以表示遮挡效果和移动视差的全息图，但是该方法需要进行二维插值计算，这不仅会增加计算复杂度，还会带来误差。2009年北京理工大学张浩等人提出基于光线追迹的遮挡关系表示方法，将隐藏面消除算法中常用的光线追迹方法用于全息图计算，获得了可以表示遮挡效果的较高质量全息再现像。该方法需要从全息图中每个抽样点像素投射出一组光线，计算出每条投射光线与三维场景的最近交点来确定三维场景对该抽样点的贡献，这不仅会增加计算量，而且对于较大深度的三维场景难以精确表示其遮挡关系。2014年中国专利CN103997636 A中公布了一种基于垂直投影的三维物体再现像前后遮挡关系表示方法，通过对全息图不同采样区域执行垂直投影过程，消除各个子全息图对应的遮挡信息。但是对于任意不规则形状的三维物体，分解成二维投影图后的信息量和信息的冗余度将大大增加，而且对于三维物体再现像遮挡关系的表示精确度也有待进一步提高。